极地钻井平台井架保温加热实验装置及实验方法与流程

本发明属于极地冰区钻井平台防寒工艺领域，具体地，涉及一种极地钻井平台井架保温加热实验装置及实验方法。

背景技术：

由于人们对于石油与天然气的需求量不断上升，而常规地区油气资源枯竭，目前世界各国都加强了对极地海洋油气资源的重视。极地海洋区域蕴含着丰富的油气资源，根据俄罗斯等国的调查，北极地区原油储量和天然气储量，约为全球探明原油和天然气储量的25％和41％。随着北极冰川的消融，技术的进步，极地海洋油气的钻探活动也会越来越多，而极地海工装备已经成为俄罗斯、挪威、加拿大和美国等国家的研究热点，因此必须及早开展对极地海洋钻井相关课题的研究，对未来油气资源市场占据先机。

尽管极地海洋区域蕴含着丰富的油气资源，但是由于北极海洋地区气温极低、海上风速比较大、暴风雪多、地理位置十分偏远、后勤保障困难、生态环境敏感以及海底浅层欠压实、井壁不稳定等问题，导致极地海洋钻井遭到了重重困难与挑战。极地海洋严酷的作业环境对海洋钻井提出了巨大的挑战，如果海洋钻井平台直接暴露于极地环境中，则会造成钻井液的性能发生变化，钻井管柱容易发生脆性破坏，钻井设备低温润滑失效，钻井设备低温密封失效，钻井设备和工具机械性能高降低，作业人员无法在露天环境下正常作业等情况。因此需要保温措施来使海洋平台的作业区域的温度保持在合适的温度范围内。井架是海洋钻井平台上一个非常重要的组成部分，可以承载起下钻、下套管以及其他作业所产生的载荷，并提供起下钻及存放管柱操作的高度与空间，其内部有非常多的重要的钻井设备，如天车、游车等起升设备。在钻井作业期间，需要工人在其内进行作业，因此将井架用保温层包覆起来，内部分布加热设备，可以起到保温、防风、防冰雪等的作用，使的钻井活动正常进行。

井架保温问题是极地冰区海洋钻井过程中的重要问题，目前学者对其研究的还不是很深入。2010年，koomj等研究了半潜式钻井平台在北极工作防寒技术，保证钻机在室外温度最低-30℃下正常工作；2015年，杨艳总结了北海半潜式钻井平台防冻除冰技术。但是文章中并没有设计合适的实验装置，对其进行试验和验证。

技术实现要素：

针对极地冰区海洋钻井过程中的井架保温问题，本发明提供了一种极地钻井平台井架保温加热实验装置及实验方法，根据科学的理论计算，模拟极地钻井平台井架的保温加热情况，经济、安全地设计极地钻井平台井架保温加热装置，实现极地海洋钻井过程中的井架内部温度适宜，确保钻井的顺利进行。

为了实现上述目的，本发明所采用的方案如下：

模拟极地钻井平台井架保温加热实验装置，包括：实验盒、液氮循环系统、井架模型、井架保温墙、转盘、加热器、数据监测传输系统；其中：实验盒为长方体形壳体，一端注入氮气，另一端排出氮气；液氮循环系统连接实验盒长端的两侧，液氮循环系统包括两条管路，一条管路将液氮从储罐中通过气体减压器降压成气体，并通过管路注入到实验盒内部，而另一条管路将实验盒中流通排出的氮气通过管路注入到除湿罐内，除去多余的水分和杂质，再经过气体增压器的加压，转变成液氮，最终循环注入到储罐中；实验盒内部中央设置带保温墙的井架模型，保温墙内设置加热器，数据监测传输系统包括多个温度传感器、数据传输线和计算机；在带保温墙的井架模型内部，分布有多个温度传感器，可以实时监测井架内部不同位置处的温度数据，并将监测到的数据通过数据传输线传输给外界的电脑。

极地钻井平台井架保温加热实验方法，利用上述的极地钻井平台井架保温加热实验装置，其中，步骤如下：

(1)实验准备阶段

根据需要试验的工况，选择合适的种类与厚度的保温板，在二层台转盘和底层转盘上放置合适数量和位置的加热器，根据工况要求选择v型门的开关，将所有的装置选好以后，搭建好整套的极地钻井平台井架保温加热实验装置；

在进行实验之前，需要进行气体排空与装置气密性检测；先打开第一液氮储罐和降压器，让降压的氮气进入并充满实验发生区域，最后排出；检测整套装置是否有漏气现象；将第一液氮储罐和降压器关闭；

(2)实验进行阶段

打开第一液氮储罐和降压器，根据需要进行试验的工况，利用气体减压器与温度计，选择合适的输出氮气的温度。打开气体增压器和第二液氮回收储罐，将循环出的氮气回收；

将加热器打开，选择要试验的加热器的功率，对井架内进行加热，当加热一段时间后，关闭加热器，然后分别关闭气体降压器、第一液氮储罐、气体增压器和第二液氮回收储罐，实验结束；

(3)数据收集及分析

在实验过程中，井架模型内的温度传感器会实时监测不同位置处的温度，并将监测到的数据通过数据传输线，传输给计算机；然后就可以对保存的数据进行分析，研究极地钻井平台井架保温层内部的温度场变化规律，从而确定极地钻井平台井架保温参数。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本实验装置操作简便、测量精确、可行性高；

2、本实验装置能够真实模拟极地钻井平台所处的环境，对极地钻井平台井架的保温加热情况进行实验研究，从而得到极地钻井平台井架保温层内部的温度场变化规律；

3、利用本实验装置及实验方法也可以实现极地钻井平台井架保温参数的优化，最终选出适合极地钻井平台井架的保温材料以及其厚度、加热器的布置、数量及功率分配等，为极地钻井平台井架的保温作业提供实验分析方案，以实现安全、稳定、高效的钻井作业。

附图说明

图1是模拟极地钻井平台井架保温加热实验装置的结构示意图；

图2是井架模型内部装置的结构示意图；

图3是转盘的结构示意图。

图中：

1：实验盒2：液氮储罐

3：液氮运输管路4：气体减压器

5：温度计6：氮气输入管路

7：氮气输出管路8：除湿罐

9：气体增压器10：液氮运输管路

11：井架保温层12：v型门

13：二层台转盘14：底层转盘

15：加热器16：数据传输线

17：计算机18：温度传感器

19：第一带孔隔板20：第二带孔隔板

具体实施方式

如图1和图2所示，模拟极地钻井平台井架保温加热实验装置，包括：实验盒1、液氮循环系统、井架模型、井架保温墙、转盘、加热器、数据监测传输系统；其中：实验盒1为长方体形壳体，沿长端方向的两侧壳体上各设置三个孔，一端注入氮气，另一端排出氮气；液氮循环系统连接实验盒长端的两侧，液氮循环系统包括两条管路，一条管路将液氮从储罐中通过气体减压器降压成气体，并通过管路注入到实验盒内部，而另一条管路将实验盒中流通排出的氮气通过管路注入到除湿罐内，除去多余的水分和杂质，再经过气体增压器的加压，转变成液氮，最终循环注入到储罐中；实验盒内部中央设置带保温墙的井架模型，井架模型是按照真实井架的尺寸等比缩小制成井架模型骨架，保温墙是用铝板和保温材料制成的保温板，需准备多种不同的保温材料制成的保温板；两个转盘分别放置在底层和二层台处，可以转动改变位置；加热器选用热风机，加热器的功率可以调节，分别放置在两个转盘上；数据监测传输系统包括多个温度传感器、数据传输线和计算机；在带保温墙的井架模型内部，分布有多个温度传感器，可以实时监测井架内部不同位置处的温度数据，并将监测到的数据通过数据传输线传输给外界的电脑。

为了方便氮气能够均匀的进入或者排出实验盒，以便能够真实地模拟极地的低温环境，在实验盒的内部沿长端方向的左右两侧，分别设置第一带孔隔板和第二带孔隔板。

模拟极地钻井平台井架保温加热实验装置的详细说明如下：

实验盒1为一个长方体形状的壳体，沿长端方向的左右两侧壳体上各有三个孔，这是为了方便一端注入氮气，另一端排出氮气。制造实验盒的材料必须耐低温、强度高、密封性好。

液氮循环系统，包括：液氮储罐2、液氮运输管路3、气体减压器4、温度计5、氮气输入管路6、氮气输出管路7、除湿罐8、气体增压器9、液氮运输管路10。该系统包括两条管路，第一条输入管路能将液氮通过液氮运输管路3从液氮储罐2中输出，通过气体减压器4降压成气体，并通过氮气输入管路6注入到实验盒1内部，而第二条输出管路能将实验中流通排出的氮气通过氮气输出管路7注入到除湿罐8内，除去多余的水分和杂质，再经过气体增压器9的加压，转变成液氮，最终通过液氮运输管路10循环注入回液氮储罐2中。其中，气体减压器4，将来自第一液氮储罐4的低温液氮，降压成低温氮气，且低温氮气的温度可以通过观测温度计5来调节气体减压器4，低温氮气通过氮气输入管路6输送给实验盒1。气体增压器9，将实验过后从实验盒1循环出来，经过除湿罐8除湿后的氮气通过气体增压器9增压，变成液体，通过氮气输出管路7输送到液氮储罐2。氮气输入管路6，其与实验盒1相连接的位置分出三个分支，分别与实验盒1的沿长端方向的一侧的三个孔相连，以此为了能将氮气能注入实验盒1的不同位置处，避免出现因低温氮气分布不均而引起的温度集中现象。氮气输出管路7，其与实验盒1相连接的位置分出三个分支，分别与实验盒1沿长端方向的另一侧的三个孔相连，以此为了能将氮气能从实验盒1的不同位置处排出，避免出现因氮气输出不均而引起的温度集中现象。除湿罐8，是为了将实验过后循环出来的氮气里的水分和杂质除去。

井架模型和井架保温墙11，保温墙是用不同形状的井架保温板贴在井架模型上的。井架模型安置在实验盒的中央，井架模型是按照真实井架的尺寸等比缩小制成，同时要留好v型门12的位置，尽量与真实的极地钻井平台井架结构相似。保温墙采用金属面夹芯结构的保温板，金属面采用0.6mm的铝板，夹芯层可以选用多种规格、不同种类、不同厚度的保温材料，准备多套保温板。

转盘，包括二层台转盘13和底层转盘14，二层台转盘13和底层转盘14分别放置在井架模型的二层台和底层位置，可以用来改变加热器18等多个加热器的位置，二层台转盘13和底层转盘14在井架内的直角处的位置，分别将其做成弧形，以方便加热器在转盘上进行转动，由此可模拟不同功率的加热器放置在不同位置处时的加热情况。转盘形状具体如图3所示。

加热器15等多个加热器放置在二层台转盘13和底层转盘14上，加热器15的数量可以根据实验进行选择，加热器选用暖风机，暖风机的功率可以调节，用于对井架内部进行加热，由此可模拟不同数量、不同功率的加热器进行加热时井架内部温度场的变化情况。

数据监测传输系统，用于实时监测实验过程中你井架内部不同位置处的温度数据，并将监测到的数据通过数据传输线16传输给外界的计算机17。包括：温度传感器18等6个温度传感器、数据传输线16、计算机17。温度传感器18等6个温度传感器安装在井架模型内部不同位置处，实时监测这6个位置处的温度，并将监测到的数据通过数据传输线16，传输给计算机17。

在实验盒的内部沿长端方向的左右两端分别放置有第一带孔隔板19和第二带孔隔板20，实验盒的左右两侧分别与液氮循环系统的氮气输入管路和氮气输出管路相连，连接点左右各三个。两个带孔隔板分别放置在实验盒的两侧，其中，第一带孔隔板19，是为了让低温氮气能够均匀的注入实验盒1的实验区域，所述的第二带孔隔板20，是为了让实验后的氮气能够均匀的离开实验区域，从而更真实的模拟井架外部低温环境。

极地钻井平台井架保温加热实验方法，利用权利要求上述的极地钻井平台井架保温加热实验装置，步骤如下：

(1)实验准备阶段

根据需要试验的工况，选择合适的种类与厚度的保温板。在二层台转盘和底层转盘上放置合适数量和位置的加热器。根据工况要求选择v型门的开关。将所有的装置选好以后，搭建好整套的极地钻井平台井架保温加热实验装置。

在进行实验之前，需要进行气体排空与装置气密性检测。先打开第一液氮储罐和降压器，让降压的氮气进入并充满实验发生区域，最后排出。检测整套装置是否有漏气现象。将第一液氮储罐和降压器关闭。

(2)实验进行阶段

打开第一液氮储罐和降压器，根据需要进行试验的工况，利用气体减压器与温度计，选择合适的输出氮气的温度。打开气体增压器和第二液氮回收储罐，将循环出的氮气回收。

将加热器打开，选择要试验的加热器的功率，对井架内进行加热，当加热一段时间后，关闭加热器，然后分别关闭气体降压器、第一液氮储罐、气体增压器和第二液氮回收储罐，实验结束。

(3)数据收集及分析

在实验过程中，井架模型内的温度传感器会实时监测不同位置处的温度，并将监测到的数据通过数据传输线，传输给计算机。然后就可以对保存的数据进行分析，研究极地钻井平台井架保温层内部的温度场变化规律，从而确定极地钻井平台井架保温参数。

根据本实验装置及实验方法步骤，改变其中的某一条件，可以设计以下6个方面的实验：

1、设置固定的外界环境温度，调节合适的加热器的功率、数量和位置分布，通过更换不同材料的保温板，可以设计保温材料的种类对极地钻井平台井架的保温工况的影响；

2、设置固定的外界环境温度，调节合适的加热器的功率、数量和位置分布，选用同一材料的保温板，通过更换不同厚度的保温板，可以设计保温材料的厚度对极地钻井平台井架的保温工况的影响；

3、调节合适的加热器的功率、数量和位置分布，选用同一材料、同一厚度的保温板，通过气体降压器和安装在氮气输入管路上的温度计，调节不同的氮气输入温度，以模拟不同的外界环境温度，可以设计不同的外界环境温度对极地钻井平台井架的保温工况的影响；

4、设置固定的外界环境温度，选用同一材料、同一厚度的保温板，通过改变加热器的数量和位置分布，可以设计不同的加热器的数量和位置分布对极地钻井平台井架的保温工况的影响；

5、设置固定的外界环境温度，调节合适的加热器的数量和位置分布，选用同一材料、同一厚度的保温板，可以设计不同加热功率对极地钻井平台井架的不同工况的影响，从而得到不同工况下的加热功率；

6、设置固定的外界环境温度，调节合适的加热器的数量和位置分布，选用同一材料、同一厚度的保温板，可以设计v型门开关时对对极地钻井平台井架的保温工况的影响。